光伏太阳能监测系统“产品式”实训教学设备的设计开发

张皓

【摘 要】本文根据光伏发电中太阳能监测控制系统产品的原理，鉴于当前高职院校实训教学设备的知识系统性不足。设计了以市场产品为原型适用于电子课程教学的一种太阳能监测控制实训装置。重点描述了该实训装置的设计过程，并介绍了该装置在实训教学过程中的实施方法。这种实训理念不但增强了学生环保、产品意识，同时对高职院校相关专业开发类似的教学装置也提供了参考依据，使其满足企业对人才的需求。

【关键词】太阳能；控制系统；产品式；实训教学

高职院校传统的实训教学设备多以“模块式”实训装置为载体开展实训教学工作，这种方式从教师传授知识角度上实现起来比较容易，从学生接受知识角度上来看也比较有针对性、直接性，对知识点的细化程度较强，学生也比较容易理解，但是也存在着很大的不足：与企业生产实践脱节，无法与市场产品相关联，导致学生毕业后无法直接从事企业生产实践，产品意识缺乏。从实训教学上来说，这种实训设备目的性较单一，知识点与知识点、课程与课程之间较孤立，缺乏联系，没有形成学习系统。

针对以上问题，本文从教学产品角度和学生的认知规律出发，模拟市场上的光伏太阳能监测控制器，设计与开发了光伏太阳能监测系统实训教学设备。从理念上打破了传统的“模块式”实训教学设备的缺陷，提升学生的产品意识，拟补了目前课程、学科分离严重、实训课知识点分散化、系统性严重不足的缺陷。同时对国内的环保产品也具有一定的社会价值。

一、控制系统整体设计方案

光伏太阳能监测实训教学设备的核心设计是太阳能监测控制系统的设计。本文以太阳能电池板为控制对象，设计了基于我国宏晶公司生产的STC12C605AS2单片机为核心控制器的太阳能自动监测控制系统，通过主控器件自动的调整控制太阳能电池板的位置，使太阳能电池板始终与太阳光照射方向垂直，从而使太阳能设备能够达到最大的采热效率。

1.太阳能监测系统控制策略

本文采用了光电监测与记忆监测相结合的控制方式实现对太阳的自动监测控制。所谓记忆监测就是在正常天气条件下，从早上7：00至下午18： 00时间段内，统计两个方向步进电机所走的步数并记录存储下来；每隔一定的时间Δt统计该时间段内的步进电机所走过的步数并根据时间先后记录下来。在天气好时，系统采用光电监测模式，当遇到阴天或天气状况不好造成光电传感器产生的电信号小于设定的阀值时，系统能够自动切换到记忆监测模式运行，并从EEPROM存储器中按序读取当前数据，从而来控制步进电机工作。这样我们就能够保证所采用的数据为最新、最优数据，监测的效果将达到最优，可使系统不存在累积误差，精度较高，使系统避免监测盲区。

2.系统整体设计方案

该系统主要由七个主要部分组成：STC12C5A60S2单片机最小系统、光电检测电路、信号放大电路、时钟电路、步进电机驱动电路、显示电路、外接键盘和报警电路。

最终制定出控制系统整体设计方案如图1所示：

二、控制子系统的软硬件设计

STC12C5A60S2单片机是以8051为内核的一种新一代单片机。其功能强大，集成度高，内置A/D转换与PWM脉宽控制，技术成熟，被我国目前广大高校作为单片机教学的首选芯片。本文设计的太阳能监测系统正是采用了该款芯片作为系统主控制器组成最小系统。下面就该装置以下三个的主要子系统介绍其软硬件设计过程。

1.光电检测与放大子系统

硬件设计原理：光电传感器接收太阳光，将光信号转换成电信号，此模拟电信号经过放大器的放大进入单片机，经过单片机内部A/D转换，根据采集来的信号进行分析比较，得出结果最终控制步进电动机的转动与转向来达到太阳能电池面板垂直于入射光线。光电传感器选为光敏电阻，根据系统需要，设计合理的光敏电阻放置位置以及其挡光板，以接收阳光。这里利用4个光敏电阻以东西南北四个方向排列。硬件电路上运算放大器采用LM358双运放集成电路，它的内部包含两组形式完全相同的运算放大器，电路原理图如图2所示：

软件设计原理：利用光敏电阻在光照时电压发生变化的原理，将两个个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光强度相同，所以它们的阻值相同，则输出电压相同，此时步进电机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻电压减少，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度完全相同。南北方向的两个光敏电阻同理。

2.双轴步进电机控制系统

本文采用双轴步进电机控制，就是在水平方向控制一台步进电机，在垂直方向控制一台步进电机。本系统通过单片机按太阳垂直角和俯仰角的大小，产生控制步进电机运转的脉冲信号。按照不同的控制命令，使两个方向上的步进电机分别作正转、反转和停止等动作。系统由于采用 STC系列单片机，电路简单可靠，结构紧凑。对于不同方向的步进电机控制，不需改变硬件电路，通过修改软件，用程序改变相序，即能实现步进电机的多种控制，灵活方便，通用性强，成本低。

在硬件电机驱动上，直接利用STC12C5A60S2单片机的推挽强输出方式即可输出大电流驱动三相三相制步进电机运行。本系统采用PWM方式可控制步进电机的转速大小，电路原理图如图：

SER0为电机1控制水平方向运动，SER1为电机2控制垂直方向运动。CH为电机输入端

3.时钟控制系统

这里我们使用DS1302时钟芯片来计算时间。太阳相对地球的位置变化缓慢，所以不需要监测装置时刻运行。当系统运行后，DS1302开始计时，每十分钟向单片机发送一次数据，控制单片机对光电检测数据进行扫描存储。假定太阳光强的有效时间为早上7：00点到下午18：00点，当时钟芯片计时满10个小时后，控制单片机回到早上7点钟的时刻位置，以便于第二天的运行。

三、控制系统的测试与实验

1.控制系统的实物测试

把整个控制系统置于阳光下并接通电源，第一次要通过手动调整监测装置，使得太阳能板与太阳光线大致处于垂直状态，随后系统将根据天气状况自动选择监测模式。在光照强度适合的时间内，系统自动采用光电模式进行精确监测；在使用纸板遮住太阳光以后，系统自动切换到记忆模式进行监测；一旦遮挡物撤去，系统又恢复到光电监测模式，使得太阳能电池板始终垂直于太阳光线。超过监测时段后，监测系统自动停止。控制装置如图4所示，四个光敏电阻输出电压如表1所示：

2.实训实施过程

本实训课程实施时可利用本学期该课程随堂实验和综合实训周两阶段时间共同完成，教师根据学生人数，3—5个学生一个小组。在随堂实验实训阶段，教师首先需要提供给学生该实训装置实训任务书、光伏太阳能监测系统电路原理设计图、实训装置所需电子元器件、15×18cmPCB板两片、5×7cmPCB板两片、3×5cmPCB板1片、1p～20p单排母座接插件若干、面包线若干。教师按照事先设计好的控制系统电路原理设计图设计PCB。在PCB制作过程中，布线时无需进行繁琐的元器件引脚连接，只需将各元器件引脚利用单排母座引出，让学生利用面包线插接单排母座，从而自由连接各元器件，方便学生快速搭接、修改电路，这使得学生可以更加灵活进行子电路的调试、实验，极大的提高了学习效率。最后将各个元器件和单排母座焊接在制作完成的PCB板上。在综合实训周，学生需要完成整个系统的PCB绘制设计，并焊接所有元器件，可利用手机电筒模拟太阳光，正确调试运行整个控制系统。

3.实训装置可完成的实验

（1） 声光报警实验（2）带记忆功能实时时钟控制实验（3）1602液晶显示实验（4）步进机PWM、PID控制实验（5）光电传感器与雨滴传感器实验（6）按键设置实验（7）四路放大器与比较器电路LM358控制实验（8）与非门74LS00芯片控制实验（9）光伏太阳能电池板监测控制系统综合实验（10）PCB制作实验

四、结束语

通过这种实训教学方式有利于学生对各个知识点实验模块的理解掌握，训练了学生对PCB板的制作，锻炼了学生的焊接、调试能力，同时由于学生最终的实训成果是一个完整的产品，虽然它不是真正意义上可推向市场的产品，但这种实训方式大大增加了学生的产品意识，更能提高学生的学习兴趣，使学生能够更加贴近适应企业的工作岗位，缩短适应周期。同时由于这种实训装置涵盖了大部分的相关学科知识，使学生将所学知识点能够有效的统一联系起来，形成完善的学习系统，最终达到学以致用的目的。

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